(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動物体の距離及び方向を決定する装置であって、
前記可動物体に取り付けられ、規定周波数を有する信号を発信し、既知の直線偏波面を有するアンテナを有する、少なくとも１つのトランスミッタと、
前記信号を受信し、左円偏波アンテナと右円偏波アンテナとを含む、少なくとも１つのレシーバと、
前記少なくとも１つのレシーバに接続され、前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとによって受信した信号成分に対応する前記信号の位相値を決定し、当該位相値に基づいて既定ポイントについての前記距離及び前記方向を計算する、評価装置と、
を備え、
前記少なくとも１つのトランスミッタと前記少なくとも１つのレシーバとが、フェーズロック結合及び同期のうちの少なくとも１つを介して接続される、
装置。
【請求項２】
可動物体の距離及び方向を決定する装置であって、
左円偏波アンテナと右円偏波アンテナとを含み、当該左円偏波アンテナと当該右円偏波アンテナとのそれぞれが、規定周波数を有する信号を発信する、少なくとも１つのトランスミッタと、
前記可動物体に取り付けられ、既知の直線偏波面を有するアンテナを含む、少なくとも１つのレシーバと、
前記少なくとも１つのレシーバに接続され、前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとによって発信された前記信号に関連する測定位相値を決定し、当該位相値に基づいて既定ポイントについての前記距離及び前記方向を計算する、評価装置と、
を備え、
前記少なくとも１つのトランスミッタと前記少なくとも１つのレシーバとが、フェーズロック結合及び同期のうちの少なくとも１つを介して接続される、
装置。
【請求項３】
既知の位置及び既知の方向を有する基準トランスミッタと、
絶対距離及び絶対方向のうちの少なくとも１つを決定する、既知の直線偏波面を有する基準アンテナと、
をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
既知の位置及び既知の方向を有する基準レシーバと、
絶対距離及び絶対方向のうちの少なくとも１つを決定する、既知の直線偏波面を有する基準アンテナと、
をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記信号が、規定周波数を有するキャリアに変調される、請求項１から４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記信号が、ＣＤＭＡ方法におけるような直交符号シーケンス及びＴＤＭＡ方法におけるような送信チャネルを交互に使用するバースト的変調のうちの一つ以上のものであり、密接に結合したキャリア周波数を有する、請求項２に記載の装置。
【請求項７】
トランスミッタ時間とレシーバ時間とを相互に同期させる、請求項１から６のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
空間における多次元位置決定システムを形成する円偏波アンテナを有する複数のレシーバをさらに備える、請求項１、３、５、７のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
空間における多次元位置決定システムを形成する円偏波アンテナを有する複数のトランスミッタをさらに備える、請求項２、４、５、７のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとをそれぞれ、２つの交差した線状アンテナとして、及び位相シフト手段、好ましくは９０°位相シフト手段として構成する、請求項１から９のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
可動物体の距離及び方向を決定する方法であって、
前記方法が、
前記可動物体に取り付けられる少なくとも１つのトランスミッタが、左円偏波アンテナと右円偏波アンテナとを含む少なくとも１つのレシーバに、規定周波数を有する信号を送信するステップであって、当該少なくとも１つのトランスミッタは、既知の直線偏波面を有するアンテナを備える、ステップと、
前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとにおいて、前記信号を受信するステップと、
前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとによって受信した信号成分に対応する前記信号の位相値を決定するステップと、
前記位相値に基づいて、既定ポイントについての前記可動物体の距離及び方向を計算するステップと、
を備え、
前記少なくとも１つのトランスミッタと前記少なくとも１つのレシーバとが、フェーズロック結合及び同期のうちの少なくとも１つを介して接続される、
方法。
【請求項１２】
既知の位置を有する基準トランスミッタであって、既知の直線偏波面を有する基準アンテナを含む、当該基準トランスミッタの基準信号を使用して、絶対距離及び絶対方向を決定するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
可動物体の距離及び方向を決定する方法であって、
前記方法が、
左円偏波アンテナと右円偏波アンテナとを有する少なくとも１つのトランスミッタが、既知の直線偏波面を有するアンテナを有する少なくとも１つのレシーバであって、前記可動物体に取り付けられる当該少なくとも１つのレシーバに、信号を送信するステップと、
前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとを介して送信された、前記信号を受信するステップと、
前記少なくとも１つのトランスミッタによって送信され、前記少なくとも１つのレシーバによって受信される前記信号の位相値を、当該少なくとも１つのトランスミッタの位相値に対して決定するステップと、
前記少なくとも１つのレシーバによって受信される前記信号の前記位相値を使用して、既定ポイントに対する前記可動物体の距離及び方向のうちの少なくとも１つを計算するステップと、
を備え、
前記少なくとも１つのトランスミッタの、前記左円偏波アンテナと前記右円偏波アンテナとによって送信される前記信号の信号形状を、前記少なくとも１つのレシーバにおいて識別できるよう選択し、前記少なくとも１つのトランスミッタと前記少なくとも１つのレシーバとの間でフェーズロック結合又は同期を行う、
方法。
【請求項１４】
既知の位置と、既知の直線偏波面を有するアンテナと、を有する基準レシーバの前記信号を使用して、絶対距離及び絶対方向を決定するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可動物体の距離及び／又は方向を決定する装置及び方法に関する。
【０００２】
固定位置に対する可動物体の距離又は距離の変化及び／又は空間内での可動物体の方向を認識することは、ナビゲーション又は計測において重要である。今日、可動物体のアラインメントを決定する複数の方法が知られている。例えば、物体の方向と移動は、慣性センサシステム、即ち、磁場センサ、ジャイロスコープ、又は加速度センサを利用して決定され、かかる方法及び装置はそれぞれ特許文献１に記載されている。この実施形態の不利点は、認識されない偏向又はオフセットが測定変数に含まれると、位置及び方向の結果に誤差が生じ、誤差は時間の経過に伴い増大する。かかる誤差は通常、他のシステムの補助測定によって決定及び修正される。カメラベースのシステムは、物体の方向と位置を決定するための更なる始点を示す。この際には測定する物体に少なくとも３つのマーキングを施し、これをカメラで検出してその相対的な位置及び場所を決定することで、空間において測定物体を定義することができる。この例は、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【０００３】
ＧＰＳシステムを使用する特許文献４には、船舶のアラインメントを測定する装置が記載されている。回転アンテナ、又はこの点において切り替えを行うことによって回転アンテナのように動作する複数のアンテナ構成が、衛星から無線信号を受信するが、この信号の入射方向は、アンテナの回転周期と位相測定、ドップラー測定、振幅測定、又は周期プロファイルを有する距離測定との間での位相比較を介して決定することができる。船舶のアラインメントは衛星の位置及び該船舶自体の位置をも利用し、上記から決定することができる。
【０００４】
衛星通信のための電磁偏波システムは特許文献５から知られており、左偏波及び右偏波信号が衛星信号の偏波面における偏差を決定するために評価される。同文献には、トランスミッタがさらに記載され、トランスミッタは地球上に配置され規定偏波を用いて信号を発信可能であることにより低い偏波エラーによるロスが衛星において発生しうる。
【０００５】
ＧＰＳレシーバを使用した物体の位置決定方法は特許文献６から周知である。同方法では、各物体は複数のレシーバ／トランスミッタユニットを送信するトランスミッタをそれぞれ有している。これらのレシーバ／トランスミッタユニットはＧＰＳレシーバを含んでおり、ＧＰＳレシーバを介してレシーバ／トランスミッタユニットの位置を決定することができる。該レシーバ／トランスミッタユニットはさらに、少なくとも３つのレシーバ／トランスミッタユニットからの信号により物体の位置決定を計算する位置決定プロセッサに信号を送信する。
【０００６】
特許文献７は物体の動きを検出する検出システムを記載しており、該検出システムは本体に加速度センサを有しており、その信号はトランスミッタから複数のアンテナを有することが可能な基地局へ送られる。その際、複数のアンテナの信号はその方向により評価される。このことは、線状双極子として構成されており相互に対して９０°回転している２つのアンテナの受信磁界強度の評価により行われる。トランスミッタ／レシーバ軸を中心としたトランスミッタ双極子の回転は正接関数を使用して後に決定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】欧州特許第１５２１１６５Ａ２号
【特許文献２】独国特許第６９８０４１２８Ｔ２号
【特許文献３】国際公開第ＷＯ９９／２１１３４号
【特許文献４】英国特許第２１３００４０Ａ号
【特許文献５】米国特許第３５４００４５号
【特許文献６】米国特許出願公開第２００３／０００１７７５Ａ１号
【特許文献７】米国特許第６５９０５３６Ｂ１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
比較的単純な評価を行って満足のいく結果を生み出すことができるよう、異なる測定原理によって距離及び方向を決定する装置及び方法を提供することが、本発明の根本的な目的である。
【０００９】
本発明によれば、独立請求項の特徴によってこの目的を達成する。
【００１０】
従属請求項で示す特徴により、更なる有利な展開と改良が可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による装置及び方法では、少なくとも１つのトランスミッタと少なくとも１つのレシーバを使用し、両者のうちの一方は既知の偏波面を備えるアンテナを有し、両者（トランスミッタ及びレシーバ）のうちの他方は、左円偏波アンテナ及び右円偏波アンテナを有する。なお、左円偏波アンテナ及び右円偏波アンテナという用語は、左円偏波及び右円偏波を生じることのできる全てのアンテナ構成をカバーするものを意図している。２つの受信した信号と送信した信号から位相値を決定し、これらを互いに比較する。受信した信号と送信した信号との間の位相値の差を形成することで比較を行う。これにより、２つのレシーバモジュールに対する２つの測定位相値が得られる。測定プロセスはキャリア位相を純粋に評価することに基づく。測定値を得るために送信信号を変調する必要はない。しかし、精度及び回復力を向上させ、以下で示す符号の分離を容易に行うことができるようにするには、送信信号を変調すると多くの点で有利である。
【００１２】
決定した測定位相値から、その後可動物体の距離及び方向を計算することができる。始点の位置がわからない場合には、任意の始点を想定し距離変化及び方向変化を決定する。少なくとも１つの時点における物体の既知の位置及び方向を利用して、絶対距離及び方向を決定することができる。
【００１３】
方向又は距離の一次元的変化は最も単純な構成、即ち、トランスミッタとレシーバを用いて決定することができるが、その際にはトランスミッタの時間及びレシーバの時間を互いに同期させる、あるいは時間差を決定して周知のプロセスにより誤差を修正する必要がある。有利な実施形態では、実施形態による一次元の絶対方向に対して、既知の方向を有する基準トランスミッタ、又は対応する基準レシーバを使用する。
【００１４】
トランスミッタとレシーバが互いに同期しなければ、追加のレシーバを装備して、ＴＤＯＡ（time difference of arrival（到達時間差））を用いて未知の送信時間をなくすようにしなければならない。
【００１５】
本発明による方法を使用する際、少なくとも１つのレシーバの規定周波数を用いてトランスミッタの位相値に対して２つの受信した信号の位相値を決定し、これらを互いに比較する。比較という用語は、中間プロセス、例えばＴＤＯＡ方法を用いて同期していないトランスミッタ／レシーバの未知の周波数オフセットをなくすこと等も含むことを意図している。
【００１６】
位相シフト手段、好ましくは９０°位相シフト手段を有する２つの交差した線状アンテナを含む円偏波アンテナの単純な実施形態として、１つの構成を提供することができる。
【００１７】
選択するシステムによって、円偏波アンテナを有する複数のレシーバ又はトランスミッタを有する多次元位置決定システムを提供することができ、トランスミッタとレシーバの間で同期がなされていない場合には、空間における可動物体の３次元方向を検出するべく、円偏波アンテナを有する少なくとも４つのレシーバ又はトランスミッタを空間に分布させて配置し得る。
【００１８】
２つの送信した信号の信号形状は、２つの円偏波アンテナを有するトランスミッタで選択して、前記信号形状をレシーバで区別できるようにすることが有利である。直交符号シーケンスを達成するよう符号化を行い、これをＣＤＭＡ（code division multiple access、符号分割多元接続）方法で使用することが可能である。しかしキャリア周波数が異なっていても、これらが密接に結合している、即ち、一つのクロックソースに由来するものであれば、これらを使用することもできる。ＴＤＭＡ（時分割多元接続）方法の場合にそうであるように、交互に転送チャネルを使用するバースト的変調を使用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第一実施形態による本発明の装置の概略図である。
【図２】図１を基にして、トランスミッタ／レシーバ軸を中心に送信アンテナの偏波面を回転させた図である。
【図３】基準トランスミッタを有する図１の装置の概略図である。
【図４】更なる実施形態による本発明の装置の概略図である。
【図５】基準レシーバを追加的に使用する図４の装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態を図面に示し、以下の記載でより詳細に説明する。
【００２１】
既定ポイントにおいて可動物体の距離及び／又は方向を決定する、本発明による装置の原理を図１に示す。この点に関して、可動物体はトランスミッタ１を有しており、該トランスミッタ１は固定したレシーバ２に対してその位置を変更できるよう構成されている。トランスミッタはアンテナ３に接続し、トランスミッタ１で生成した送信信号はこのアンテナ３を介して発信され、アンテナ３は直線偏波アンテナである、即ち、既知の直線偏波面において発信を行う。トランスミッタ１は規定周波数を有する任意の信号を生成するが、この信号は規定周波数ｆ０を有するキャリアに変調された信号であることが好ましい。この点に関して、変調のタイプは状況によって選択することができる。
【００２２】
レシーバ２は２つのアンテナ４、５に接続し、これらはそれぞれ図示しない受信モジュールに対応する。アンテナ４、５は円偏波アンテナであり、アンテナ４は右円偏波アンテナ、そしてアンテナ５は左円偏波アンテナである。当然ながら、所望の偏波を生成できるよう、様々なアンテナ構成を使用することができる。２つのレシーバ経路又はレシーバモジュールは、２つのアンテナの回転磁界強度ベクトルの回転方向が異なるだけである。レシーバ２には評価装置（図示せず）が装わっているか、又は評価装置（図示せず）に接続する。
【００２３】
アンテナ４、５は、トランスミッタによりアンテナ３を介して送信された既定周波数ｆ０を有する送信信号を受信し、レシーバ２又は評価手段は、トランスミッタ１の既定周波数ｆ０の位相値に対して２つの受信した信号のキャリア周波数の位相値を決定する。この比較を可能にするために、トランスミッタクロック及びレシーバクロックを互いに同期させる、即ち、クロックソース同士を相互接続してフェーズロックする必要がある。例えばグラスファイバ網、無線、又は原子時計等、同一の基準クロックにアクセスすることでこれを行うことができるが、その後修正又は制御が必要な場合には任意に実行する。
【００２４】
各レシーバの位相値を送信信号の位相と比較することで測定値を得るが、この測定位相値を以下の記載ではΨＲＨＣＰ及びΨＬＨＣＰ（ｒａｄ）と称する。
【００２５】
トランスミッタ１の動作を考慮すると、異なる測定位相プロファイルが得られる。
【００２６】
トランスミッタ１がレシーバの方へ又はレシーバから離れるように移動すると、レシーバ２の２つのモジュールの決定される測定位相値も同様に変化する。トランスミッタ１が発信した送信信号の１つの波長分レシーバ２の方へと移動すると、レシーバ２の両レシーバモジュールは３６０°のフェーズ増加を記録する。これらのプロセスは位置決定システムでキャリア位相測定として知られている。しかし、位相は１つの波長間隔で繰り返すため、曖昧となることに注目しなければならない。
【００２７】
トランスミッタ／レシーバ軸を中心にトランスミッタアンテナが回転すると、直線偏波の回転が生じる。トランスミッタ１が物理的に回転すると、偏波面のアラインメントが変化し、そしてそれはレシーバ２に記録されて測定変数に変換される。偏波面の受信アンテナへの入射角は測定すべき情報を有する。図２に示すように、トランスミッタ／レシーバ軸の周りをトランスミッタ１の既知の偏波面が回転すると、アンテナ４に接続したレシーバモジュールには位相の増加が記録され、アンテナ５に接続するレシーバモジュールには等しい大きさの減衰が記録される。よってΦＲＨＣＰの値が増加すると、φＬＨＣＰの値はそれに応じて低下する。例えば図２に示す回転軸の周りをトランスミッタ１が回転すると、測定位相値が３６０°変化し、２つの測定値は互いに逆の挙動を示すことになる。どの測定位相値が上下するかは、トランスミッタ１の回転方向による。トランスミッタ１の回転方向は測定位相値の変化を用いて決定できる。回転方向が既知である場合には、図１又は図２の装置を用いて方向の変化、即ち、相対的アラインメントを決定することができる。
【００２８】
トランスミッタ１とレシーバ２との間の距離は次のように計算できる。
【００２９】
【数１】
0005619739.tif 000002
【００３０】
ここで、λはトランスミッタ１の送信した信号の波長（メートル表示）に対応し、Ｘ０は距離のオフセット（これも同様にメートル表示）に対応するが、距離の値Ｘ０はｘが実際に測定した距離に対応するよう選択する。最初の測定値の記録では２つの測定位相値はまだ重要でないが、これはシステムにおける信号伝播時間が例えばケーブルの長さにより値に影響するためである。よって値ｘをまず決定して、測定位相値を用いて距離のオフセットｘ０を計算する。これ以降は、ｘ０を定義して位相測定を用いて位置ｘを決定することができる。これは常に第１の位置に対するものである。最新のナビゲーションシステムでは、十分な精度とセキュリティーが達成されるまで、値ｘ０を複数の測定サイクルに渡って評価する。この目的を満たすアルゴリズムは文献で知られている。例えば、複数の測定値の単純な平均を決定してもよい。カルマンフイルタは同様に状態値とその不確実性を評価することができる。
【００３１】
上述したように、位相値の測定では測定位相値の２π曖昧性により、式の解も同様に曖昧となる。しかし、この曖昧性は相対的な測定位相値のいわゆる位相接続法により回避できる。
【００３２】
図１と図２の実施形態において１次元であるトランスミッタ１の方向は、次の式によって計算できる。
【００３３】
【数２】
0005619739.tif 000003
【００３４】
式中、Ωは半径の回転角に対応する。基準として使用する座標系における回転角にΩが対応するよう、Ω０を用いて式の結果を適応させることができる。回転に対する座標系によってこの式の記号を選択する。
【００３５】
図３ではトランスミッタ１のほかに、選択された座標系において既知の方向を有する基準トランスミッタ６を提供する。この基準トランスミッタ６には直線偏波アンテナ７が備わっている。図１による装置をこの基準トランスミッタを用いて較正して、既知の座標系に対する絶対方向を決定することができる。上述したように、この目的で、レシーバ２がその２つのアンテナ４及び５を介して基準トランスミッタ６の発した送信信号を受信すると、上述のようにレシーバ２の２つのレシーバモジュールに対する測定位相値を決定することができる。これらの２つの測定値は、上の式において基準トランスミッタの既知方向ΩＲｅｆ＝Ωと共に使用される。Ω０が決定すれば、位置決定すべき物体の次元における絶対方向がわかる。
【００３６】
上述したように、図１から図３による装置を用いて１次元の方向を測定できる。例えば、競技場におけるボールのいわゆる追跡のような限定された空間における可動物体の３次元的位置決定システムを構成するために、上述のレシーバ２のような少なくとも４つのレシーバを、ここではボールである可動物体の動く競技場における異なるポイントに、空間的に分布させるべきである。可動物体に見出すことのできるトランスミッタ１又はその発振器は、レシーバ網の発振器とは同期しないが、４つのレシーバ２は互いに同期する。これは例えば、全てのレシーバ２に接続してクロック発生器からの信号を取得するグラスファイバ回線を介して実行することができる。同期化しないため、ＴＤＯＡ（到達時間差）方法を位置決定に対して適用して、式におけるトランスミッタの既知の送信時間を評価する必要がある−このため少なくとも４つのレシーバが必要である。
【００３７】
上述のように、測定位相値をそれぞれの受信した信号に対して決定することができ、それらを用いて距離又は距離の変化並びに回転角度を計算し、トランスミッタ１又は可動物体の空間における３次元的方向を決定することができる。
【００３８】
上記実施形態では、トランスミッタ１には１つの直線偏波アンテナ３が備わり、一方レシーバ２には２つの円偏波アンテナ４、５が備わる。しかし、このように記述した測定システムの動作を「逆に」することもできる。すなわち、図４及び図５に示すように、一方が右円偏波アンテナであり、そして他方が左円偏波アンテナである２つの円偏波アンテナ１０、１１をトランスミッタ８が含むようにすることもできる。既知の偏波面を有するアンテナ１２にレシーバ９を接続する。かかるシステムは、各衛星が２つの送信アンテナを有するトランスミッタ８を備える必要がある。例えばＧＰＳ又はガリレオ等の衛星ナビゲーションシステムで使用することができる。当然のことではあるが、それぞれのアンテナ１０、１１に接続する２つのトランスミッタモジュールを有するトランスミッタではなく、２つの連結したトランスミッタを装備してもよい。
【００３９】
２つの送信モジュールを介してトランスミッタ８の生成した送信信号は、レシーバ９が識別できるものである必要があるが、これら送信信号が同一のキャリア周波数を使用する場合には、それらの周波数は同じである必要がある、又は両方の送信信号の周波数は密接に結合した状態である必要がある。周波数ｆ０を有する両送信モジュールに対して共通のクロックソースは使用することができれば、両送信信号に対するキャリア周波数は例えば同一であってもよい。これに相当する場合には、識別できるよう修正を行う間に生成信号を修正して、レシーバ９に２つの信号を認識させる必要がある。例えば、衛星を識別するようＧＰＳにおいて使用されているような直交符号シーケンスとして、送信信号を送ることができる。キャリア周波数は異なっていても密接に結合していれば、密接な結合を認識した上でレシーバ９における位相値を修正できることも考えられる。
【００４０】
レシーバ９はその直線偏波アンテナ１２を介して送信アンテナ１０及び１１の発した２つの信号を受信し、これらを評価する。このプロセスでは、上述のように両受信信号のキャリア位相を決定し、１つ又は複数の送信信号の位相値と比較する。この比較において測定位相値ΨＲＨＣＰ及びΨＬＨＣＰを決定する。評価は上述の通りである。
【００４１】
図５では、図３に基づき、その方向がわかっている直線偏波アンテナ１４を有する基準レシーバ１３を備えて絶対方向を決定する。ただしこの基準局１３はトランスミッタを含んでおり、該トランスミッタが測定物体を形成するレシーバ９に修正データを送ると、このレシーバにおいてその絶対方向が決定される。
【００４２】
レシーバ９を含む可動物体の３次元方向に対する位置決定システムを生成するには、複数のトランスミッタ構成８が必要である。すなわち、レシーバ９がトランスミッタ８と同期しない場合には少なくとも４つのトランスミッタ構成が必要である。
【符号の説明】
【００４３】
１、８  トランスミッタ
２、９  レシーバ
３、１４  直線偏波アンテナ
４、５、１０、１１  円偏波アンテナ
６  基準トランスミッタ
１３  基準レシーバ
【図１】
0005619739.tif 000004
【図２】
0005619739.tif 000005
【図３】
0005619739.tif 000006
【図４】
0005619739.tif 000007
【図５】
0005619739.tif 000008